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CLARIFICADORES PRIMARIOS HAZEN AND SAWYER, P.C. │ NIPPON KOEI
Producto Final – Anexo No. 6
Clarificadores Primarios
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Anexo No. 6
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TABLA DE CONTENIDO
CLARIFICADORES PRIMARIOS
1. Introducción ...................................................................................................................... 1
2. Parámetros de Diseño ...................................................................................................... 2
3. Planos Relacionados ........................................................................................................ 4
4. Tecnología Existente ........................................................................................................ 5
4.1 Situación Actual ................................................................................................................ 5
4.2 Modificaciones a las estructuras Existentes ..................................................................... 7
5. Tecnología Seleccionada ................................................................................................. 8
5.1 Descripción de los Procesos ............................................................................................ 9
6. Diseño de los Clarificadores ........................................................................................... 10
6.1 Cargas Hidráulicas y Remociones en los Clarificadores Primarios ................................ 10
6.2 Concentraciones y Cargas de Diseño ............................................................................ 11
6.3 Calculo del Diámetro de los Tanques ............................................................................. 13
6.4 Características Técnicas ................................................................................................ 16
7. Estrategias de Operación ............................................................................................... 17
Referencias Bibliográficas ..................................................................................................... 19
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Anexo No. 6
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LISTA DE TABLAS
Tabla No. 1 Parámetros de Diseño - Dimensionamiento de los Clarificadores Primarios Nuevos ....... 2
Tabla No. 2 Parámetros de Diseño – Estructura y Mecanismos de los Clarificadores Primarios Nue-
vos ................................................................................................................................................... 3
Tabla No. 3 Lista de Planos relacionados con los Clarificadores Secundarios y sus principales es-
tructuras adicionales ....................................................................................................................... 4
Tabla No. 4. Dimensiones Básicas de los Clarificadores Primarios Existentes en la PTAR El Salitre . 6
Tabla No. 5 Elevaciones en las cajas y vertederos de los clarificadores primarios ............................... 6
Tabla No. 6 Cargas Hidráulicas de los Clarificadores Primarios ......................................................... 11
Tabla No. 7 Concentraciones y Cargas esperadas en el Afluente al Clarificador Primario ................. 11
Tabla No. 8 Concentraciones y Cargas esperadas en el Efluente Primario ....................................... 12
Tabla No. 9 Cargas esperadas de Lodos Primarios para las diferentes condiciones ......................... 12
Tabla No. 10 Cargas esperadas de Sobrenadantes para las diferentes condiciones ......................... 13
Tabla No. 11 Diámetro Clarificadores Secundarios ............................................................................. 14
Tabla No. 12 Dimensiones y Características Clarificadores Primarios y Existentes ........................... 15
Tabla No. 13 Sistema de Distribución de Caudal ................................................................................. 18
LISTA DE FIGURAS
Figura No. 1 Localización en Planta de los Clarificadores Primarios ..................................................... 2
Figura No. 2. Sección de los Clarificadores Primarios Actuales ........................................................... 5
Figura No. 3. PTAR El Salitre – Clarificador 4.8 ................................................................................... 5
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Anexo No. 6
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1. Introducción
El objetivo de la sedimentación primaria es remover sólidos suspendidos sedimentables. La
reducción de sólidos suspendidos totales (SST), demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y
demanda química de oxígeno (DQO) minimiza los problemas operacionales aguas abajo de
los procesos biológicos. Dado que, al minimizar la tasa de consumo de energía para la
oxidación de la materia particulada, se facilita la remoción del sustrato soluble en los
procesos de aireación y se reduce por lo tanto el volumen de WAS (Waste Activated
Sludge, lodos activados de desecho por sus siglas en Inglés).
Comparado con cualquier otro método o unidad de tratamiento en una PTAR, la separación
por medio de la gravedad que ocurre en los clarificadores primarios convencionales es
tradicionalmente la forma más económica de remover SST y DQO o DBO. Este tratamiento
primario convencional remueve, generalmente, entre un 40 al 60% de SST y 20 al 30% de
DBO5, aunque la literatura señala porcentajes de remoción tan altos como 70% de SST y
40% de DBO5 (Metcalf and Eddy, 2003). El porcentaje de remoción depende principalmente
de las características del agua residual, la fracción de materia particulada en el afluente y la
carga hidráulica superficial.
Los clarificadores primarios convencionales además de remover los sólidos sedimentables
y la parte de la carga orgánica, remueven adicionalmente las espumas y grasas que no
fueron removidas en los desarenadores. Por otra parte, los clarificadores primarios
convencionales pueden absorber en gran medida las variaciones de carga en el afluente.
En consecuencia con esto pueden homogenizar, hasta cierto grado, la calidad del agua que
entra al tratamiento secundario protegiéndolo de las altas variaciones de carga.
El presente Anexo presenta las memorias de diseño de los seis (6) Clarificadores Primarios
diseñados para la expansión de la PTAR El Salitre y que hacen parte del tratamiento
primario y la etapa previa a los procesos de lodos activados. La Figura No. 1 muestra la
ubicación de estas estructuras. Como se puede apreciar en la figura existen dos
clarificadores primarios adicionales contemplados como unidades futuras.
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Figura No. 1 Localización en Planta de los Clarificadores Primarios
2. Parámetros de Diseño
La Tabla No. 1 presenta los criterios de diseño de la Carga Hidráulica Superficial, CHS, de
los clarificadores primarios nuevos que fueron considerados para el dimensionamiento y
diseño de estas estructuras. Estos valores se seleccionan de acuerdo a la experiencia del
consultor con proyectos similares y a la literatura.
Tabla No. 1
Parámetros de Diseño - Dimensionamiento de los Clarificadores Primarios
Nuevos
Parámetro Valor
CHS máxima a caudal promedio 1,70 m3/m
2/hora (1.000 gpd/pie
2)*
CHS máxima a caudal pico 5,43 m3/m
2/hora (3.200 gpd/pie
2)
Concentración Lodo Primario (%) 1 al 3 %
*De acuerdo con Metcalf and Eddy, 2003, los valores típicos de la CHS para la
sedimentación convencional varían entre 800 y 1200 gpd/pie2 a condiciones de caudal
Promedio. El consultor toma el valor promedio de 1000 gpd/pie2dentro del rango.
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La CHS máxima a caudal promedio es de 1,70 m3/m2.hora y la CHS máxima a caudal pico
es de 5,40 m3/m2.hora. Esta carga hidráulica superficial máxima a caudal pico tiene una
probabilidad de ocurrencia en el año el año muy baja para varias horas durante un evento
de lluvias.
La Tabla No. 2 muestra los parámetros de diseño que se tendrán en cuenta para la
estructura y los mecanismos que componen los Clarificadores Primarios Nuevos. Estos
parámetros también obedecen a la experiencia del Consorcio en construcción de este tipo
de estructuras y a la mejor selección de mecanismos de acuerdo a la tipología y
características del proyecto.
Tabla No. 2
Parámetros de Diseño – Estructura y Mecanismos de los
Clarificadores Primarios Nuevos
Parámetro Valor
Tipo Circular
Diámetro (D) 44,8 m
Diámetro Pozo de Alimentación
Central (d) 9 m
Profundidad Sumergida de Pozo de
Alimentación Central (h) 1,75 m
Profundidad a Nivel de Pared – PNP 4,0 m
Relación d/D 20%
Relación h/PNP 43,7%
Pendiente del Fondo(1)
8,33% (1” a 12”)
Mecanismo de Remoción de Lodos(1)
Tolva central con raspadores
convencionales rectos a 45º
Tipo de Alimentación Central
Mecanismo de Arrastre Central
Mecanismo de recolección de
espumas Convencional
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3. Planos Relacionados
La siguiente Tabla muestra la lista de Planos relacionados con los mecanismos y diseños
de los Clarificadores Primarios nuevos y existentes en la PTAR El Salitre. Existen otros
Planos generales, civiles, de instrumentación o eléctricos que incluyen estas estructuras
pero que no son relevantes para el diseño de la estructura como tal.
Tabla No. 3
Lista de Planos relacionados con los Clarificadores
Secundarios y sus principales estructuras adicionales
Plano
Número Nombre
C-21 Estructura de derivación A
C-22 Estructura de derivación B
C-23 Box de Alimentación a los clarificadores primarios existentes
C-24 Box de Alimentación a los clarificadores primarios existentes – Modificación a
la Entrada de los desarenadores aireados existentes
M-30 Clarificadores Primarios - Planta de Localización
M-31 Clarificadores Primarios - Diagrama de Distribución de Flujo
M-32 Cámaras de distribución existentes de los Clarificadores Primarios existentes
- Plantas y Sección
M-33 Cámaras de distribución existentes de los Clarificadores Primarios existentes
Modificaciones - Plantas y Secciones
M-34 Clarificadores Primarios - Caja de distribución No. 56.1 - Planta
M-35 Clarificadores Primarios - Caja de distribución No. 56.2 - Planta
M-36 Clarificadores Primarios - Caja de distribución No. 56.1 - Sección
M-37 Clarificadores Primarios - Planta
M-38 Clarificadores Primarios - Sección y Detalles
M-39 Clarificadores Primarios - Estación de Bombeo Lodos Primarios - Plantas
M-40 Clarificadores Primarios - Estación de Bombeo Lodos Primarios - Sección
M-41 Clarificadores Primarios - Tubería de Patio
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4. Tecnología Existente
4.1 Situación Actual
La PTAR El Salitre cuenta actualmente con ocho (8) clarificadores primarios, circulares, de
alimentación central y desbordamiento periférico con un diámetro interno de 44,80 m. Los
clarificadores tienen una profundidad a nivel de pared (PNP) de 3,60 m y una pendiente de
fondo de 6,53%. La Figura No. 2 presenta la sección de los clarificadores primarios
existentes y la Figura No. 3 presenta una fotografía del clarificador No. 4.8 vacio. En la
Tabla No. 4 se presentan las dimensiones básicas de estas unidades.
Figura No. 2 Sección de los Clarificadores Primarios Actuales
Fuente: EAAB
Figura No. 3
PTAR El Salitre – Clarificador 4.8
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Tabla No. 4
Dimensiones Básicas de los Clarificadores Primarios Existentes en la PTAR El Salitre
Parámetro Dimensión Unidad
Diámetro - D 44,8 m
Profundidad a Nivel de Pared – PNP 3,60 m
Pendiente del Fondo 6,53 %
Pozo de Alimentación Central Diámetro – d 5,45 m
Pozo de Alimentación Central Profundidad Sumergida – h 1,575 m
d/D 12,17 %
h/PNP 43,75 %
Diámetro Interno de la Tubería de Alimentación 1,20 m
Diámetro Externo de la Tubería de Alimentación 1,80 m
Canal del Efluente Interno / Sujeto a la Pared -
Ancho del Canal del Efluente 0,70 m
Sistema de Recolección de Lodo Por Gravedad /Tolva
Central
-
Diámetro de la Tolva Central (Lodos Primarios) 5,6 m
Deflector Periférico / Deflector de las Corrientes Internas debido
a la Densidad No tiene
-
Entrada 8 puertos; 0,35 m x 1,25 m -
Luego del análisis de la información suministrada al Consorcio y las visitas realizadas a la
Planta, el Consorcio puede concluir que los clarificadores existentes tienen una capacidad
de asentamiento y espesamiento de lodos limitada, así como las tuberías de lodos tienen
una configuración pobre. Las pruebas de trazadores mostraron presencia de cortocircuitos,
demostrando que la distribución entre los clarificadores no es del todo buena. Una causa de
esto pueden ser los asentamientos que se han presentado en la planta durante los últimos
años que han generado diferencias entre las elevaciones de los vertederos. Por otra parte,
como se puede apreciar en la Tabla No. 5 la hidráulica de las cajas de distribución es
limitada, ya que la cabeza hidráulica no es adecuada para una buena distribución de
caudal.
Tabla No. 5
Elevaciones en las cajas y vertederos de los clarificadores primarios
Caudal de
Planta m3/s
Nivel Caja
Distribución
Elevación del
Vertedero
Nivel Hacia
los Clarificadores
4 46,08 45,99 45,86
6 46,11 45,99 45,92
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Tabla No. 5
Elevaciones en las cajas y vertederos de los clarificadores primarios
Caudal de
Planta m3/s
Nivel Caja
Distribución
Elevación del
Vertedero
Nivel Hacia
los Clarificadores
7 46,12 45,99 45,96
8 46,13 45,99 46,00(I)
10 46,18 45,99 46,10 (I)
(I) Condición de vertedero sumergido
4.2 Modificaciones a las estructuras Existentes
Los clarificadores existentes no tendrán adecuaciones, excepto por las cámaras de
distribución existente. El Consorcio consideró que no eran necesario adecuar los
clarificadores existentes y que ciertas modificaciones a las cámaras de distribución que
contribuyan a mejorar la distribución del caudal entre los clarificadores existentes es la
medida más práctica y beneficiosa para su adecuación al proyecto de la expansión. Por tal
motivo, en las cámaras de distribución existentes se instalará 4 compuertas deslizantes en
acero inoxidable de 2,1 m de ancho y 1,5 m de alto con marco en acero inoxidable y de
operación hacia abajo y un vertedero ajustable en el muro existente para regular el flujo de
distribución. Estas modificaciones, que se pueden detallar en los Planos M-32 y M-33,
tienen como objetivo permitir un mayor control de la distribución del agua y ofrecer más
herramientas de operación y control a los operadores de la planta.
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5. Tecnología Seleccionada
A continuación se presentan los mecanismos y geometrías propuestos para los
Clarificadores Primarios Nuevos.
Tipo de Geometría
Para la expansión de la PTAR El Salitre se consideraron dos geometrías de clarificadores
primarios convencionales: Rectangulares y Circulares. En el Informe Técnico “Clarificadores
Primarios y Secundarios - Memo de Tecnologías Complementarias”, el cual presentó una
discusión general de los diferentes mecanismos y diseños de los Clarificadores Primarios y
Secundarios, se expusieron las ventajas y desventajas de cada una de las geometrías y por
último se seleccionó la geometría circular como la más apropiada para este proyecto. Los
clarificadores Primarios Circulares no solo dan continuidad a la tipología volumétrica
existente sino un costo por operación y mantenimiento menor. Las paredes de un
clarificador circular actúan como anillos de tensión, lo que le permite construirlo con
espesores menores a los empleados en los tanques rectangulares.
Tipo de Alimentación
En cuanto al tipo de Alimentación, se recomendó la alimentación central como en la
diseñada en los clarificadores existentes pues esta configuración permite la utilización de
un pozo de alimentación central, el cual mejora la hidrodinámica del clarificador y promueve
la floculación. El otro tipo de alimentación en clarificadores circulares es el periférico, el cual
no utiliza frecuentemente en los clarificadores primarios.
Mecanismo de Arrastre
En el mecanismo de arrastre de los nuevos Clarificadores se recomendó el mecanismo de
arrastre central, el cual es diferente al mecanismo de arrastre periférico instalado en los
Clarificadores existentes. Este tipo de mecanismo permite un fácil acceso al clarificador
para el monitoreo adecuado del manto de lodos y la toma de muestras; adicionalmente,
permiten una mayor compactación del manto de lodos. El Consorcio y los fabricantes
consultados, coinciden que este tipo de mecanismo es robusto, con muchas instalaciones
exitosas para clarificadores de este diámetro.
Mecanismo de Recolección de Lodos
En los clarificadores circulares existen dos tipos básicos de recolección de lodos:
mecanismos con raspadores o barrelodos y mecanismos de succión, cada uno con
diferente variantes. En el Informe Técnico anteriormente mencionado, se discutieron los
cuatro mecanismos normalmente utilizados en clarificadores circulares: Raspadores
Convencionales, Raspadores en espiral, extracción con tubos de succión múltiples,
extracción con tubería colectora de orificios múltiples. En el caso de clarificadores primarios
los sistemas por succión no son utilizados debido a las altas concentraciones del lodo
primario, y las dificultades de operación de los mismos.
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El Consorcio optó por los mecanismos de barrelodos con raspadores rectos a 45°, pues
representa un diseño sencillo y confiable. El sistema de raspadores resulta similar al de los
clarificadores existentes con la diferencia que los raspadores se instalarán a 45 grados con
el radio del clarificador, lo cual asegura una continuidad en el movimiento de los lodos. Los
barrelodos en espiral son más costosos y realmente no ofrecen ventajas adicionales en el
caso de los clarificadores primarios debido a las bajas tasas de extracción del lodo primario.
Tipo de Desnatador
Para la elección del tipo de mecanismo de remoción de grasas y espumas se revisaron 4
alternativas: Desnatador del tipo “Ducking skimmer”, Desnatador de radio completo
estacionario y rotatorio, Desnatador convencional extendido y Desnatador convencional o
de playa. Se recomendó los desnatadores convencionales porque son el sistema que
representa el menor costo de capital y los menores requerimientos de mantenimiento. Los
desnatadores elegidos fueron también los que utilizan los clarificadores existentes en la
PTAR El Salitre los cuales operan adecuadamente.
5.1 Descripción de los Procesos
Luego de los desarenadores el agua residual deberá ser conducida por un box de dos
celdas de 2,65 x 2,65m que conduce a la estructura de derivación A (Ver Plano C-21), en
seguida un box de 2,5 x 2,5m conduce el agua hasta la estructuras de derivación B (Ver
Plano C-22). Las estructuras de derivación A y B deberán alimentar las cámaras de
distribución 56.1 y 56.2, las cuales distribuyen el flujo equitativamente a los clarificadores
primarios Nuevos (Ver Plano M-41). Este mismo Box también deberá tener la posibilidad de
alimentar directamente los clarificadores primarios existentes, como se puede observar en
los Planos C-23 y C-24, en donde un box de 2,1 x 2,1m conduce el agua al tanque o canal
efluente de los desarenadores aireados existentes que trabaja como tanque de distribución
hacia las cajas de distribución 3.1 y 3.2 de los clarificadores primarios existentes. No
obstante, como el fin de este Anexo es presentar el diseño de los nuevos clarificadores se
hablará de los procesos en las nuevas estructuras, más adelante se explicará la operación
conjunta entre tanques nuevos y existentes.
En seguida de las cámaras de distribución el agua residual ingresará a los clarificadores
nuevos por la columna central y se propagará hasta el pozo de alimentación central donde
el flujo se fuerza a distribuirse uniforme y mansamente dentro del clarificador. El agua
clarificada se desbordará por el vertedero perimetral dirigiéndose por el canal perimetral
hacia una cámara o box por donde el agua clarificada descenderá y se transportará hasta
a otro box de dos celdas que llevará el agua de todos los clarificadores primarios a un box
conectado a los tanques de aireación (Ver Plano M-41).
El lodo sedimentado en el fondo de los tanques será recolectado por los brazos barrelodos
con raspadores a 45 grados, como los que se ilustran en el Plano M-37. El movimiento de
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estos brazos conducirá el lodo al pozo de lodos (Ver detalle No. 2 de Plano M-38). En este
pozo se recolectarán y se enviarán a la estación de Bombeo de Lodos Primarios que
bombeará el lodo junto con las espumas y natas hacia el tratamiento de lodos (Ver Planos
M-39 y M-40). Estas estaciones (58.1, 58.2, 58.3) tendrán dos niveles, en el primer nivel se
ubicarán 6 bombas para los lodos primarios y dos bombas para las espumas y natas. En el
segundo nivel se ubicará en CCM, el monorriel, el polipasto y las escaleras de acceso y
salida a la estructura. En el Plano M-40 adicionalmente se puede ver la ruta de la tubería
de lodos primarios y el diagrama de proceso de lodos primarios. El diámetro de la tubería
de los lodos será de 200 y 250 mm según se indica en el Plano y por medio de unas
válvulas se permitirá una mayor operación del proceso
Las espumas y las natas superficiales son recolectadas con un desnatador ajustado a los
brazos barrelodos. Este desnatador identificado con el Ítem 30-1 en el Plano M-37,
conducirá los sólidos flotantes hasta un extremo en donde con el movimiento rotatorio
logrará disponer las espumas en la caja de espumas ubicada en la pared interna del
clarificador. También existirá un deflector interno y un puerto de natas/espumas que
ayudarán en este proceso (Ver ítem 41-1 del Plano M-37 y M-38).
6. Diseño de los Clarificadores
A continuación se muestran los resultados del Modelo BioWin (Ver Anexo 1) procesados
para mostrar las concentraciones y cargas en el Afluente y el Efluente de los Clarificadores
Primarios.
6.1 Cargas Hidráulicas y Remociones en los Clarificadores Primarios
La Tabla No. 6 presenta la carga hidráulica superficial (CHS) de los clarificadores primarios
existentes y nuevos para los distintos caudales de diseño. Esta tabla también muestra los
porcentajes de remoción estimados para los SST y la DBO51
. Como se puede apreciar las
CHS de la Tabla No. 6 están por debajo de las cargas máximas de diseño propuestas en la
Tabla No. 1. Esto obedece que para estas CHS se está asumiendo para 14 clarificadores
en funcionamiento.
1 Los porcentajes de remoción son estimados con base en los datos presentados en las Figuras 7.5 y 7.10
de la Sección 7 del Producto No. 2 (Versión 3)
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Anexo No. 6
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Tabla No. 6
Cargas Hidráulicas de los Clarificadores Primarios
Parámetro Caudal
(m3/s)
CHS (*)
(m3/m
2/hora)
Promedio Anual 7,00 1,14
Máximo Mensual 8,75 1,43
Máximo Semanal 10,15 1,66
Máximo Tratamiento Secundario 14,00 2,28
* Calculada asumiendo 14 clarificadores primarios en funcionamiento
6.2 Concentraciones y Cargas de Diseño
La Tabla No. 7 muestra las concentraciones y cargas de diseño bajo las diferentes
condiciones de caudal para las condiciones de promedio anual (PA), valor de diseño (VD),
máximo mensual (MM), máximo semanal (MS) y máximo diario (MD). El valor de PA es el
valor esperado de carga durante 6 a 8 meses del año y el valor de diseño es el valor
esperado durante el resto del año. Estos son los valores de las cargas esperadas en el
afluente al Clarificador Primario.
Tabla No. 7
Concentraciones y Cargas esperadas en el Afluente al Clarificador Primario
Parámetro
Promedio
Anual
Valor de
Diseño
Máximo
Mensual
Máximo
Semanal
Máximo
Diario
DBO5 (mg/L) 243 306 308 308 311
DBO5 (Ton/día) 154 195 244 283 390
SST (mg/L) 213 304 303 302 301
SST (Ton/día) 135 193 241 277 378
DQO (mg/L) 513 662 663 664 667
DQO (Ton/día) 326 421 526 610 837
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Luego de usar el Modelo BioWin para el sistema convencional de lodos activados
propuesto para la PTAR El Salitre evaluando tanto para el valor de diseño, como para las
condiciones promedio anual y máxima mensual de los caudales proyectados entre los años
2015 y 2040 se modeló el proceso en los clarificadores primarios. Con base en el caudal
promedio de 7 m3/s; se utilizó en los clarificadores primarios una eficiencia de remoción del
55% para los SST. Esta eficiencia de remoción en los SST resulta en una eficiencia de
remoción de la DBO de aproximadamente 23%, la cual es consistente con los valores
esperados de remoción para los clarificadores primarios de la PTAR El Salitre (Ver Anexo
No. 1). Las concentraciones y cargas esperadas en el efluente primario para las diferentes
condiciones de caudal, pueden encontrarse en la Tabla No. 8.
Tabla No. 8
Concentraciones y Cargas esperadas en el Efluente Primario
Parámetro
Promedio
Anual
Valor de
Diseño
Máximo
Mensual
Máximo
Semanal
Máximo
Diario
DBO5 (mg/L) 196 235 236 237 238
DBO5 (Ton/día) 122 147 185 214 295
SST (mg/L) 97 139 139 138 138
SST (Ton/día) 61 87 108 125 170
DQO (mg/L) 369 456 456 457 458
DQO (Ton/día) 231 285 356 413 567
Las Tablas No. 9 y No. 10 muestran las cargas de lodos Primarios y sobrenadantes que el
modelo calculó para las diferentes condiciones.
Tabla No. 9
Cargas esperadas de Lodos Primarios para las diferentes condiciones
Condición SST
(kg/d) SSV
(kg/d) DBO5 (kg/d)
DBO5 Soluble (kg/d)
DQO (kg/d)
Promedio Anual 74,256 58,354 31,460 1,492 95,019
Valor de Diseño 106.273 83.438 47.261 1.676 135.311
Máximo Mensual 132.294 104.555 59.419 2.096 169.538
Máximo Semanal 152.541 121.254 69.010 2.431 196.629
Máximo Diario 207.960 166.429 94.968 3.352 270.012
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Anexo No. 6
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Tabla No. 10
Cargas esperadas de Sobrenadantes para las diferentes condiciones
Condición SST
(kg/d) SSV
(kg/d) DBO5 (kg/d)
DBO5 Soluble (kg/d)
DQO (kg/d)
Promedio Anual 60,755 47,744 122,470 97,950 230,649
Valor de Diseño 86.951 68.268 147.367 110.071 285.230
Máximo Mensual 108.241 85.545 184.533 137.633 356.404
Máximo Semanal 124.807 99.208 214.133 159.659 412.916
Máximo Diario 170.149 136.169 295.092 220.133 567.234
6.3 Calculo del Diámetro de los Tanques
Dado que los Nuevos clarificadores se diseñarán para poder tratar hasta 14 m3/s la CHS
que se utilizará para su dimensionamiento será la de la Tabla No. 1 y no la de la Tabla No.
6. Para calcular el área superficial que necesitan los clarificadores primarios Nuevos se
utilizan los siguientes parámetros de diseño.
Caudal Pico y promedio: 7 y 14 m3/s
Carga Hidráulica Superficial: 1,70 y 5,43 m3/m2/h
Profundidad del Tanque: 4 m (Profundidad recomendada)
Área Requerida por Carga Hidráulica (m2) = 9.277 m
2
9.277 m2 es el área requerida por los clarificadores en la condición crítica, es decir caudal
pico. El diámetro de los clarificadores según el número de clarificadores se calcula con la
siguiente ecuación:
Dado la CHS y la fórmula del diámetro de los clarificadores, algunas de las configuraciones
aplicables al proyecto serían las siguientes:
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CLARIFICADORES PRIMARIOS HAZEN AND SAWYER, P.C. │ NIPPON KOEI
Tabla No. 11
Diámetro Clarificadores Primarios
Numero de Clarificadores (m)
12 31.4
10 34.4
8 38.4
6 44.4
4 54.3
Dado las condiciones existentes y con el objetivo de dar continuidad a la tipología volumé-
trica de la Planta existente, el diámetro de los nuevos clarificadores se seleccionó como
44,8 y en condiciones críticas se necesitará de 6 clarificadores primarios.
De acuerdo a Metcalf and Eddy, 2003, el tiempo de retención hidráulica típico (TRH) varía
entre 1,5 a 2,5 horas para condiciones a caudal promedio con una temperatura del agua
residual de 20 °C. Un ejercicio permite verificar si el TRH de los clarificadores primarios
Nuevos está dentro de este rango. Dado que la planta operará con clarificadores Nuevos y
los existentes, para este ejercicio solo analizarán los clarificadores primarios nuevos supo-
niendo que el caudal promedio a los que estarán sometidos es de 7 m3/s. Para mayor in-
formación sobre la estrategia de operación de los clarificadores tanto existentes como nue-
vos Ver numeral 7, Estrategias de Operación.
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Anexo No. 6
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El TRH con 6 unidades en funcionamiento es de 1,5 horas lo cual está dentro de los rangos
típicos. La Tabla No. 12 muestra las diferencias entre las dimensiones y los mecanismos
empleados por los clarificadores existentes y nuevos.
Tabla No. 12
Dimensiones y Características Clarificadores Primarios y Existentes
Parámetro Unidad Existente Propuesto
Diámetro - D m 44,8 44,8
Profundidad a Nivel de Pared – PNP m 3,60 (11,8 ft) 4,00 (13,1 –ft)
Pendiente del Fondo % 6,53 8,33
Pozo de Alimentación Central Diámetro
– d
m 5,45 9,00
Pozo de Alimentación Central
Profundidad Sumergida – h
m 1,575 1,75
d/D % 12,17 20
h/PNP % 43,75 43,75
Diámetro Interno de la Tubería de
Alimentación
m 1,20 1,37
Diámetro Externo de la Tubería de
Alimentación
m 1,80 -
Canal del Efluente - Interno / Sujeto
a la Pared
Interno / Sujeto
a la Pared
Ancho del Canal del Efluente m 0,70 1,05
Sistema de Recolección de Lodo - Por Gravedad
/Tolva Central
Por Gravedad
/Tolva Central
Diámetro de la Tolva Central (Lodos
Primarios)
m 5,6 6,2
Deflector Periférico / Deflector de las
Corrientes Internas debido a la
Densidad
- No Si
Entrada - 8 puertos
0,35 m x 1,25
m
8 puertos
0,35 m x 1,25 m
Tipo de Alimentación - Central Central
Mecanismo de arrastre - Periférico Central
Mecanismo de recolección de espumas - Convencional Convencional
Los nuevos Clarificadores se diseñarán de forma tal que la capacidad de almacenar y es-
pesar sólidos pueda alcanzar concentraciones de ST entre 1% y 3%. Las tuberías de los
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lodos tendrán una mejor configuración y los 6 clarificadores nuevos tendrán la capacidad de
procesar hidráulicamente un caudal pico de 14 m3/s.
El Anexo 15, Sección D presenta los cálculos hidráulicos para confirmar la Derivación del
caudal a los Clarificadores existentes y nuevos y en la Sección E se presentan los cálculos
hidráulicos para la conducción desde los clarificadores Primarios hacia los tanques de Ai-
reación.
6.4 Características Técnicas
Las obras de la expansión de la PTAR El Salitre comprenden la construcción de seis (6)
nuevos clarificadores primarios circulares con alimentación central, contemplando un
espacio disponible para dos (2) unidades futuras. El diagrama de distribución de Flujo de
los clarificadores Primarios existentes y Nuevos se puede apreciar en el Plano M-31.
Cada clarificador primario deberá tener un puente de acceso, un mecanismo de trasmisión
central, un pilar central, pozo de recolección de lodos, la caja de transmisión, barrelodos
convencionales rectos a 45º, los desnatadores convencionales, el sistemas de recolección
de espumas, los controles eléctricos y las piezas para anclaje.
Las características generales de los clarificadores nuevos serán las siguientes:
● Los clarificadores tendrán un diámetro interno de 44,8 metros, una profundidad a
nivel de pared de 4 m (profundidad del agua) y altura del anillo exterior de 4,85 m.
La pendiente del fondo del clarificador será 1 a 12 (8,33%) El anillo interno del pozo
de recolección de lodos tendrá un espesor desde la columna hasta el borde de 1,3
m. Más detalles sobre cada una de las partes se pueden observar en los Planos M-
37 y M-38.
● El Puente de acceso deberá constituirse de una armadura en acero al carbón que se
extienda hasta el centro del clarificador asentándose en las paredes del clarificador.
Como el arrastre será central el puente estará anclado a la estructura.
● El mecanismo de transmisión central deberá contar además las unidades
convencionales con una unidad reductora primaria de engranaje, unidad reductora
intermedia de engranaje tipo tornillo sinfín y una unidad reductora de engranaje final.
Como componente adicional a esta transmisión, se deberá contar con un sistema de
protección por sobrecarga que incluya un dispositivo mecánico usado para accionar
un interruptor limitador y un indicador de carga visual que muestre los puntos de
sobrecarga.
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● El Pilar central deberá ser de acero al carbón con un diámetro interno mínimo de
1,37 metros que de soporte al mecanismo de transmisión central, al sistema de
equipos del barrelodos.
● El Pozo de Alimentación Central deberá ser en acero al carbono con un diámetro de
9 m y 1,75 m de profundidad sumergida
● Cada clarificador constará con dos brazos que recogen las espumas flotantes del
clarificador y las depositen en una caja de espumas ubicado en la pared del
clarificador. Cada brazo tendrá con partes en neopreno y hojas limpiadoras. La
tubería recolectora será de 8’’.
● Habrá dos tuberías de lodos de 150 mm de diámetro por cada clarificadores. Se
deberán asegurar caudales de 19 l/s (300gpm) a través de cada tubería para
garantizar velocidades mayores a 1,2 m/s. La bombas comúnmente utilizadas
para estas aplicaciones son centrifugas de impulsor empotrado, de cavidad
progresiva o de lóbulo rotatorio. El Consorcio recomienda las bombas de
cavidad progresiva pues tienen mejores características de cabeza hidráulica y
menores requerimientos de mantenimiento. Cada estación de bombeo de lodos
debería tener bombas de cavidad progresiva para conducir las espumas hacia la
tubería de impulsión de lodos primarios.
● Todos los soportes del mecanismo central de transmisión como deberán contar un
periodo de vida mínimo de 20 años basándose en una tasa de movimiento continuo.
7. Estrategias de Operación
Para operar los 14 clarificadores primarios El Operador tendrá como herramienta principal
las cámaras de distribución y las estructuras de derivación haciendo un constante
monitoreo de la distribución de caudales con los sensores de nivel sónico ubicados en
estas estructuras. Dado que los caudales que manejará la planta son significativamente
variables, la experiencia y rutina del Operador será la manera más práctica de determinar la
estrategia a seguir en el manejo de los clarificadores primarios.
No obstante, el Consorcio recomienda 3 estrategias que dependen de los caudales que
lleguen a la estructura de entrada:
1. Para caudales mayores a 14m3/s, la estación elevadora de aguas existente entrará
a operar bombeando hasta 7,5m3/s. La nueva estación de bombeo trabajará hasta
14 m3/s, los cuales los repartirá a los 6 clarificadores nuevos, el box de alimentación
a los clarificadores primarios existentes estará cerrado y no permitirá el paso de
agua residual hacia estos clarificadores. Dado que el tratamiento secundario solo se
diseña para 14m3/s los clarificadores nuevos y el resto de la planta queda
funcionando como una unidad, la cual es capaz de tratar estos 14m3/s. Los
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clarificadores primarios existentes tratarán primariamente los caudales de exceso
que van desde los 14 m3/s hasta los 21,5m3/s, distribuyendo el flujo equitativamente
entre los 8 clarificadores.
2. Para caudales entre 10 y 14m3/s, la estación elevadora de aguas existente no
operará. La nueva estación de bombeo bombeará estos caudales y luego del
pretratamiento estos caudales se dirigirán al box, el cual a través de las compuertas
motorizadas distribuirá el caudal de manera que la mitad del caudal se dirija hacia
los clarificadores primarios existentes a través del box de alimentación y la otra
mitad se dirija por medio de las estructuras de derivación a los nuevos clarificadores
primarios.
3. Para los caudales menores a 10m3/s, la estación elevadora de aguas existente no
operará. La nueva estación de bombeo bombeará estos caudales y luego del
pretratamiento estos caudales se dirigirán al box, el cual a través de las compuertas
motorizadas distribuirá el caudal de manera que con la ayuda de las estructuras de
derivación y las cámaras de distribución se reparta este caudal uniformemente entre
los clarificadores nuevos y existentes.
El operador debe limitar el caudal hacia los 8 clarificadores primarios existentes entre 7,0 –
7,5 m3/s para evitar el transvase hacia los desarenadores existentes vacios (Ver Tabla No.
13), dado que la elevación del vertedero es de 46,47 m. Sin embargo, los clarificadores
primarios nuevos podrán operar con altas cargas de caudal y/o sólidos hasta 14m3/s. Pero
para lograr una operación exitosa deberá verificar que todos los vertederos estén a la
misma elevación y controlar de manera adecuada las compuertas motorizadas para tener
un mayor control del caudal y de los procesos. Durante los caudales de tiempo seco no se
requerirá la operación de los desarenadores existentes.
Tabla No. 13
Sistema de Distribución de Caudal
Caudal hacia los clarificado-
res primarios existentes
m3/s
Elevación del Agua en la
Cámara de Distribución
Elevación de los vertederos de
los Desarenadores Existentes
4 46,17 46,47
6 46,25 46,47
7 46,30 46,47
8 46,35 46,47
10 46,47 46,47
*El caudal total hacia los clarificadores existentes debería ser limitado a ± 7,5 m3/s para evitar el
trasvase de caudal hacía los desarenadores existentes vacíos.
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Referencias Bibliográficas
1. Metcalf and Eddy (2003). Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse.
4th Edition, McGraw-Hill.
2. Water Environment Federation and the American Society of Civil Engi-
neers/Environmental and Water Resources Institute (2010). “Design of Municipal
Wastewater Treatment Plants”, WEF Manual of Practice No. 8 (MOP 8), ASCE Ma-
nuals and Reports on Engineering Practice No. 76” Fifth Edition.